谈谈高深溜井——兼论放矿过程中矿石的粘结力C

2018-05-13詹森昌

铜业工程 2018年2期

关键词：冲击力阶段性井筒

詹森昌

（江西铜业集团公司德兴铜矿，江西德兴 334224）

在采矿场与选矿厂之间高差很大的矿山，采用溜井平巷运输系统，是有很大的优势，是首选方案。不仅经济效益好、管理方便，同时避免了公路汽车运输系统中长距离的重车下坡的

安全和管理方面的一系列问题，优点突出。关键是能否使用和管理好高深溜井，现对其进行具体分析。

1 矿石在溜井中的移动规律

1.1 “四区论”矿石移动规律

矿业界公认的“四区论”矿石移动规律［1］如图1。

（1）井筒顶部不贮矿，称非贮矿段。（2）第一区的矿石是随着下部放矿，呈全断面、等速、缓慢的垂直向下移动。（3）第二区的矿石受放矿类椭球体影响，除了垂直向下移动外，出现横向移动，属全断面移动。（4）第三区内矿石是变速变向，流动断面逐渐减小，流速加快，易在闸门口附近产生堵塞。（5）第四区是处在矿石流动线以下，矿石不流动，称死矿堆。

图1 溜井分区示意图

1.2 高深溜井矿石移动规律

在长期利用音频、视频观察，结合收集到的监测巷道内气流变化和呈现的“喘气”现象，通过资料整理分析，对高深溜井第一区的矿石移动规律提出了如下说法。

1.2.1 第一区上部为垂直全断面阶段性移动区

该区域受矿石物理性能，如块度组成、压实程度、含水量等的影响，易形成临时平衡拱，该拱为粉矿粘结拱。该悬拱通过下部连续拉矿或落矿产生的气流扰动和负压的作用或承受不住来自上部的载荷时崩落；在该区域形成的临时平衡拱有无数个，井内一定高度范围内反复形成悬拱向上发展，在溜井放矿过程中始终处于破坏再形成的过程；在该区域矿石移动并不是随着下部溜口放矿同时移动，它与下部溜口放矿有一时间差，且该时间差随着井筒向上的延伸而加大，矿石下落呈一次或数次下落过程来实现，呈全断面阶段性移动特征［2］。

1.2.2 第一区下部为垂直全断面连续移动区

该区域矿石移动随着下部溜口放矿而同时移动，呈全断面连续性移动特征［3］。同一般溜井第一区内矿石移动规律一样。

2 高深溜井第一区上部垂直全断面阶段性矿石移动形成机制的探讨

2.1 散体材料的移动特性

散体材料结构不同于连续介质材料结构，其沉降变形是在一次次的坍塌过程中完成的，散体材料结构是靠内部一系列拱结构承受、支撑上部压力，而内部结构是自发组织起来的，靠颗粒之间摩擦和挤压来维持平衡，当拱结构不能支撑上面的重量时，就很快崩塌，内部开始自组织运动，重组新的拱结构，宏观上表现为沉降［4］。

2.2 井筒中矿石移动平衡拱受力分析

井筒中的矿石属于散体物料，它的重量是以平衡拱的形式构成力F作用于井壁上，F力可分解为作用于井壁上的垂直力T，使矿石向下移动的分力N［4］。如图 2 所示。

图2 矿石作用于井壁上的力

图2 中力F的分力N与矿石同井壁产生的摩擦阻力相平衡；分力T对井壁产生压力，其压强为［5］：

式中：P为井筒中矿石作用于井壁的压强，N/m2；r为井筒半径，m；γ为矿石松散体重，t/m3;α为矿石与井壁的摩擦角。

对一个矿山来讲，α和γ可视为一个常数，故井筒中矿石对井壁产生的压强，只与井筒半径成线性正比；与井筒上、下部位的地点无关，大小是一样的。

当然，井筒中矿石移动平衡拱除受上述矿石重力影响外，还受放矿时产生的负压吸力作用。但由于放矿速度较慢，矿石移动速度较小；加之矿石本身又是散体，故其作用很小。

2.3 井筒中矿石移动

根据散体材料“内部开始自组织运动，重组新的拱结构”特点，矿石在溜井内的移动是由于具有周期的移动拱的崩塌引起不连续现象的反复、井筒中矿石平衡拱所产生的压力大小与井筒上、下部位无关，大小是一样的论述［6］，说明高深溜井第一区上部矿石移动规律发生变化，出现垂直全断面阶段性移动现象，应该是由外部原因引起的。现作如下分析

2.4 产生垂直全断面阶段性矿石移动机制的探讨

2.4.1 高深溜井的放矿特点

一般溜井，当发现井筒贮矿量不多时，就会抓紧供矿。这样空井高度不会很大；同时，下部也会及时放矿。也就是说，供矿与放矿两者配合较好。高深溜井，由于井深，贮矿量大，两者配合没有一般溜井这样好，易形成较高井空条件下，上部卸矿和下部放矿脱节现象。

2.4.2 井筒直径

为使溜井在放矿过程中，不产生稳定的平衡拱而发生井筒堵塞，设计井筒直径要求［6］：

式中：D1、D2为溜放非粘性和粘性物料的溜井直径，m；dmax为溜放物料最大块度尺寸，m；C为松散物料的粘结力，104Pa；γ为松散物料体重，t/m3；θ为松散物料内摩擦角,度。

矿山的溜井直径一般都能满足上述要求，因此在正常情况下，在放矿过程中，井筒是不会发生堵塞的。

2.4.3 粘结力C

上述公式（3）中的粘结力C，是“散体的粘结性是指在无压强条件下，松散矿块之间彼此粘结在一起的性质，会使散体有一定刚度和抗剪能力，这种初始抗剪能力称之为粘结力［7］。”溜井放矿时，井筒内的矿石的粘结力与上述提及的无压力条件下是不一样的。井筒内矿石，除受到平衡拱内本身相互挤压外，其上部表面还会受到卸矿的矿石冲击。当矿石受到冲击力作用时，粘结力会发生变化，即开始向井筒卸矿，对井筒上部表面的矿石进行冲击；接着本身受后来的卸矿冲击，此时矿石的粘结力增至最大。增大值与矿石中粉矿及水的含量和卸矿产生的冲击力大小等因素密切相关。现对卸矿的矿石对井筒内矿石的冲击力做简略分析：

设卸矿对井筒内矿石发生撞击时的冲击速度为v，由力学的势能转化为动能公式

根据力学的冲量和动量变化的关系：

式中h为井空高度，m；g为重力加速度，9.8m/s2；V为矿石落到下部矿石表面时的冲击速度，m/s，f为卸矿对存矿的冲击力，N；t为矿石冲击作用时间，s；m为冲击矿石的质量，kg。

从（5）式可以看出，矿石的冲击力f，与其质量成正比，与井空高度成平方根正比，与冲击作用时间成反比。在一般情况下，每次用汽车卸下的矿石重量基本上是相等的，即其质量可视为一个常数。因此，冲击力与井空高度和卸矿与井筒存矿的冲击作用时间，存在密切关系。

设1kg矿石在没有空气阻力的情况下，从1m、20m、50m、100m、200m的高度下落，而溜井下部有放矿和不放矿二种情况；假设前者卸矿下落矿石对下部存矿的冲击作用时间为0.2s，后者为0.1s。具体计算数据如下表

表1 冲击力计算表

从表1可看出，当井空高度为200m、100m、50m和20m，下部未放矿时，卸矿的矿石对井筒中表面矿石产生的冲击力是井空高度为1m，而下部同时进行放矿时受到的冲击力的28.6、20、14和9倍；是相同条件的14.3、10、7和4.5倍。井筒中矿石受到这样大的冲击力后，矿石粘结力是会随着其受到冲击力增大而随之增大。

当然，影响矿石粘结力变化增大的因素，除上述分析的很重要的外因冲击力外，还与矿石本身的水份和粉矿含量有关。只有三者结合起来，矿石粘结力才会发生相应的变化并增大。

2.4.4 垂直全断面阶段性矿石移动形成原因

井筒中的矿石，在一定水份和粉矿含量时，随着上部卸矿的井空高度增加，卸矿的冲击力增大，受冲击矿石的粘结力随之增大；同时，随着粉矿含量增加，并下部又未同时进行放矿，而水份又合适时，受冲击矿石粘结力随着冲击力的增大而增至最大。矿石粘结力增大后，矿石移动平衡拱崩塌时间随之延长，因而出现井筒第一区上部矿石移动的垂直全断面阶段性移动现象。而后，随着下部放矿的进行，矿石不断移动，增大的粘结力，逐渐减小，矿石移动平衡拱崩塌时间随之逐渐缩短，最终恢复到正常状态，矿石移动平衡拱崩塌时间也恢复正常。由于高深溜井易形成较高的空井情况下卸矿，因而其第一区上部的矿石会受到较大的卸矿冲击力的影响，矿石粘结力会发生较大变化，因而发生垂直全断面阶段性矿石移动现象。

以上就是高深溜井第一区上部矿石移动时，出现垂直全断面阶段性矿石移动和下部出现垂直全断面连续性矿石移动现象的原因和过程。

3 溜井放矿时反映矿石粘结力C的案例

3.1 酒钢黑沟矿主溜井出现很大粘结力C

酒钢黑沟矿主溜井在出矿1800万t后，于2013年5月6日至5月31日，标高为3220m处的井筒内发生严重堵塞25天［7］。

据分析，当时溜井下部未放矿、井筒内3220m标高处矿石的粉矿含量较高和其水份又合适，受到约150m(窄轨运输平硐标高为3400m水平)高井空的卸矿强力冲击，形成了粘结块，并同时大力向井壁挤压，增大了抗剪强度，形成了很稳定的平衡拱，堵塞井筒25天的严重后果。

后向井筒注了7t水，使堵塞处与井壁接触的矿石和井壁都得到润湿，其摩擦系数大为减小，摩擦阻力大为减小，而受冲击形成粘结块的矿石，整体下滑，形成巨大冲击气流，“使井内矿石最远冲至40多米处，井口周围内堆积了10～20cm厚的粉尘”［8］。

3.2 德兴铜矿1号溜井满井放矿的正常粘结力C

德兴铜矿1号溜井，井筒直径施工为6m，投产时地表标高305m，下部铁路轨面标高为125m，施工平巷全部封死，没有检查巷道；采用满井放矿。在放出1018.4万t矿石后，于1981年12月27日至30日，当时地表标高为281m，进行了实测检查。

检测结论：“全溜井井壁光滑、完整，磨损轻微。”“从表面上看溜井中矿石移动是平稳的，好像是连续的，实际上非连续的。因为在溜井璧上的潮印有明显的“波痕”（图略），“波痕”间距约20-30mm”。“矿石在溜井中的移动速度为2.9mm/s，同时以放矿速度求算移动速度为3.01mm/s，误差为3.9%［8］。”

从以上论述中可以看出，在井筒贮满矿实测过程中，未发生垂直全断面阶段性矿石垂直移动现象；从井壁完整、光滑看，在放出1081.4万t矿石后，井壁上未发现有全断面阶段性矿石移动所产生的磨损、破坏痕迹；而井壁上20-30mm间隔“波痕”，实际上是临时平衡拱的形成与崩塌的间距。这些都说明在贮矿条件下，井筒内的矿石是非常平稳、缓慢地向下移动，不会发生垂直全断面阶段性矿石移动现象。同时，在贮矿条件下，井壁发生的放矿磨损，四周均匀，上下近似，井壁像水磨石样光滑，见下图。

德兴铜矿1号溜井放矿磨损后的井壁照片

3.3 一般没有满井放矿的变化的矿石粘结力C

除去上述两种特殊情况外，在一般正常生产中，未采用矿石满井放矿时，高深溜井第一区上部是会发生垂直全断面阶段性矿石移动现象。只是在各种井空高度、下部放矿与不放矿的条件下，当井筒中矿石的粉矿和水的含量不一样时，受冲击后矿石的粘结力增加值是不一样的，这时形成的临时平衡拱崩塌时间间隔是不同的，崩塌前空腔大小也是不同的，即垂直全断面阶段性矿石移动对井壁的影响程度是不一样的。另外，检查巷道对放矿负压有影响，对垂直全断面阶段性矿石移动有一定的促进作用。